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为什么宇宙布满星星,却还是那么黑?

为什么宇宙布满星星,却还是那么黑?

公众号新闻

图片来源:NASA, ESA, CSA, STScI, Samuel Crowe (UVA)
撰文 | 布莱恩·杰克逊(Brian Jackson)
翻译 | 杨安琪
审校 | 不周

长期以来,人们一直好奇,为什么太空中繁星密布,但看上去仍是黑暗的,这个问题如此出名,也被称为奥伯斯佯谬(Olbers' paradox)。

天文学家估计,在可观测的宇宙中,大约有2000亿万亿(2*10²³)颗恒星。其中许多恒星和我们的太阳一样亮,甚至比太阳更亮。那么为什么太空看上去还是一片黑暗呢?

我是一名天文学家,研究恒星和行星(括太阳系外的恒星和行星)以及它们在太空中的运动。而对遥远恒星和行星的研究让我理解了太空为何如此黑暗。

你可能会猜测,这是因为宇宙中的许多恒星距离地球都很远。当然,一颗恒星离我们越远,它看起来确实也越昏暗——距离我们10倍远的恒星看起来暗淡了100倍。但事实证明,这并不是全部答案


位于“气泡”中的我们

暂且假设宇宙非常古老,以至于最遥远的恒星发射的光也有足够的时间到达地球。在这个假想的场景中,宇宙中所有的恒星都没有移动

我们可以想象,以地球为中心有一个大气泡。如果这个气泡直径约为10光年,它将包含大约12颗恒星。当然,在几光年之外,许多恒星从地球上看都会显得很暗淡。

图片来源COSMOS-Web/Kartaltepe, Casey, Franco, Larson, et al./RIT/UT Austin/CANDIDE.


如果继续将气泡扩大到1000光年,然后是100万光年,然后是10亿光年,气泡中距离地球最远的恒星看起来将更加模糊不清。但越来越大的气泡中也会包含越来越多的恒星,它们都在发光。尽管最远的恒星看起来越来越暗淡,但它们的数量越来越多,应该会让整个夜空看起来非常明亮

我似乎又绕回了问题的起点,但其实我更接近答案了。


宇宙的“年龄”很重要

在上文描述的气泡中,我让大家假想恒星不会移动,而宇宙非常古老。但事实上,宇宙只有短短的不到140亿年的历史

从人类的角度来看,这是很长的一段时间,但从天文学的角度来看,这段时间其实非常短。距离我们超过130亿光年的恒星发出的光还没有到达地球。因此,尽管以地球为中心的气泡包含了我们能看到的所有恒星,但这个距离仅仅延伸到了距离地球130多亿光年的地方。

图片来源NASA, ESA, CSA.


气泡中没有足够的恒星来点亮每个方向,看起来自然是一片黑暗。当然,如果你朝天空的某些方向看,你可能看到星星。如果朝天空的其他方向看,你可能看不到任何星星。这是因为,在这些黑暗区域中,可能阻挡你视线的恒星距离地球太过遥远,它们的光线还没有到达地球。随着时间的流逝,这些越来越遥远的恒星发出的光终有一天会到达我们这里


多普勒频移

你可能会问,夜空最终是否会被完全点亮。但这又回到了前文气泡假设中的另一个条件:所有的恒星都不移动。但我们知道,宇宙其实正在膨胀,最遥远的星系正以接近光速的速度远离地球。

星系远离得如此之快,以至于恒星发出的光被不断拉长,移动到了人眼根本看不到的光谱频段,这种效应也被称为多普勒频移。因此,即使这些光有足够的时间到达我们身边,我们依然无法用眼睛看到最遥远恒星发出的光。而夜空也不会完全被照亮。


图片来源NASA, ESA, CSA, STScI NASA、ESA、CSA、STScI


如果你等得足够久,最终所有的恒星都会燃烧殆尽——像太阳这样的恒星只能持续大约100亿年。据天文学家假设,在遥远的未来——从现在开始的一千万亿年后——宇宙将变得黑暗,只剩下像白矮星和黑洞这样的恒星残骸

尽管夜空并没有完全布满繁星,但我们生活在宇宙生命中一个非常特殊的时期。我们很幸运能亲眼目睹宇宙的纷繁复杂,见证星光和黑暗交织的夜空

原文链接:
https://theconversation.com/why-is-space-so-dark-even-though-the-universe-is-filled-with-stars-205810

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